JP2010540399A - Annealing diamond at low pressure - Google Patents

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ヘムリー,ラッセル,ジェィ.
マオ,ホー−クァン
ヤン,チィ−シィウ
メン,ユ−フェィ
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カーネギー インスチチューション オブ ワシントン
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Abstract

本発明は、低圧においてダイヤモンドの光学的性質を改善する方法に関し、特に、CVDダイヤモンドを成長させるステップと、ダイヤモンド安定領域外の約1〜約760torrの圧力において還元雰囲気中、約5秒〜約3時間の時間の間、CVDダイヤモンドの温度を約1400℃〜約2200℃に上昇させるステップとを含む所望の光学的品質のCVDダイヤモンドの製造方法に関する。  The present invention relates to a method for improving the optical properties of diamond at low pressure, and more particularly to growing CVD diamond and from about 5 seconds to about 3 in a reducing atmosphere at a pressure of about 1 to about 760 torr outside the diamond stable region. Increasing the temperature of the CVD diamond to about 1400 ° C. to about 2200 ° C. for a time period of time.

Description

政府関与の言及
本発明は、国立科学財団(National Science Foundation)による認可番号NSF EAR−0550040のもとで米国政府の支援により行われた。米国政府は本発明における一部の権利を有する。
Reference to Government Involvement This invention was made with US government support under grant number NSF EAR-0550040 from the National Science Foundation. The US government has certain rights in this invention.

発明の背景
発明の分野
本発明は、一般にダイヤモンドのアニールに関し、特に単結晶CVDダイヤモンドの低圧、すなわち、単結晶CVDダイヤモンドのアニールに従来使用されていたよりもはるかに低い圧力、例えば、約1気圧以下の圧力でのアニールに関する。本発明は、ダイヤモンドの光学的性質の改善に有用であり、速い成長速度で高い光学的品質の単結晶CVDダイヤモンドの製造に特に有用である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates generally to annealing diamond, and in particular, the low pressure of single crystal CVD diamond, ie, much lower pressure than previously used for annealing single crystal CVD diamond, for example, about 1 atmosphere or less. Relates to annealing at different pressures. The present invention is useful for improving the optical properties of diamond and is particularly useful for the production of high optical quality single crystal CVD diamond at high growth rates.

関連技術の説明
ダイヤモンドの化学蒸着成長は、エネルギーを気相の炭素含有前駆体分子に与えることで実現される。例えば、マイクロ波エネルギーを使用してプラズマを発生させ、それによって種ダイヤモンド上に炭素を堆積してダイヤモンドを形成することができる。最近まで、ダイヤモンドを成長させるためのすべてのCVD技術では、多結晶ダイヤモンド又は複数の非常に薄い層の単結晶ダイヤモンドが得られていた。本出願の3名の本発明者ら(すなわち、Hemley博士、Mao博士、及びYan博士)は、大型の単結晶CVDを成長させるマイクロ波プラズマCVD技術を開発しており、これらの技術は、2002年11月6日に出願された米国特許出願第10/288,499号である現在の米国特許第6,858,078号、2006年5月23日に出願された米国特許出願第11/438,260号、2006年11月15日に出願された米国特許出願第11/599,361号に開示されており、これらすべてが参照により本明細書に組み込まれる。
2. Description of Related Art Chemical vapor deposition of diamond is achieved by applying energy to a gas-phase carbon-containing precursor molecule. For example, microwave energy can be used to generate a plasma, thereby depositing carbon on the seed diamond to form diamond. Until recently, all CVD techniques for growing diamond yielded polycrystalline diamond or multiple very thin layers of single crystal diamond. The three inventors of this application (i.e., Dr. Hemley, Dr. Mao, and Dr. Yan) have developed microwave plasma CVD techniques for growing large single crystal CVD, and these techniques have been developed in 2002. US patent application Ser. No. 10 / 288,499, filed Nov. 6, 2011, current US Pat. No. 6,858,078, US patent application Ser. No. 11/438, filed May 23, 2006. 260, U.S. patent application Ser. No. 11 / 599,361, filed Nov. 15, 2006, all of which are incorporated herein by reference.

本発明者らのマイクロ波プラズマCVD技術では、単結晶ダイヤモンドを、種ダイヤモンド上、例えば黄色タイプIbのHPHT合成ダイヤモンド上に、1時間に150μm以上の速度で成長させることができる。本発明者らのマイクロ波プラズマCVD技術によって製造されるダイヤモンドの色は、ダイヤモンドが成長する温度に依存する。特に、ダイヤモンドが特定の温度範囲内で成長する場合、これはプラズマ中の気体混合物に依存するが、無色ダイヤモンドを製造することができる。しかし、この特定の範囲外の温度で製造されたダイヤモンドは、黄色又は褐色となり得る。   In our microwave plasma CVD technique, single crystal diamond can be grown on seed diamond, eg, yellow type Ib HPHT synthetic diamond, at a rate of 150 μm or more per hour. The color of diamond produced by our microwave plasma CVD technique depends on the temperature at which the diamond grows. In particular, when diamond grows within a specific temperature range, this depends on the gas mixture in the plasma, but colorless diamond can be produced. However, diamonds produced at temperatures outside this specific range can be yellow or brown.

高温高圧アニールによる褐色の天然ダイヤモンドの褐色の淡色化、及び不純物の減少が、I. M. Reinitzら, Gems & Gemology 36, 128-137(2000)に報告されている。   Browning lightening of brown natural diamond by high temperature and high pressure annealing and reduction of impurities have been reported in I. M. Reinitz et al., Gems & Gemology 36, 128-137 (2000).

大部分の天然ダイヤモンドは褐色であり、それによって宝石としての魅力が損なわれている(例えば、Fritsch E.による,G. E. Harlow(編著)(1998), 「The Nature of Diamonds」, Cambridge University Press, UK, 23-47を参照。HPHTアニールは、1999年からの天然褐色ダイヤモンドの色を向上させる現行の商業的方法であり、この方法は、ダイヤモンドの黒鉛化を防止するために1800〜2500℃の範囲内の温度及び5GPAの範囲内の高圧を必要とする。例えば、A. T. Collins、H. Kanda、及びH. Kitawaki,「Color change produced in natural brown diamonds by high-pressure, high-temperature treatment」, Diamond Relat. Mater. 9, 113-122 (2000);Alan T. Collins、Alex Connor、Cheng-Han Ly、Abdulla Shareef、Paul M. Spear, 「High-temperature annealing of optical centers in type-1 diamond」, J. Appl. Phys. 97, 083517 (2005); D. Fisher及びR. A. Spits,Gems. Gemol. 36, 42 (2000)を参照されたい)。低窒素濃度の天然ダイヤモンドにおいて見られる褐色の減少は、塑性変形のアニールに起因する(例えば、L. S. Hounsomeら,「Origin of brown coloration in diamond」, Physical Review B 73, 125203 (2006)を参照されたい)。窒素含有ダイヤモンド中で、このアニール中の転位によって生じる空孔が捕捉されてN−V−Nセンターを形成し、中性荷電状態のH3バンドによってダイヤモンドが黄−緑の色になる。   Most natural diamonds are brown, which reduces their attractiveness as gems (eg, Fritsch E., GE Harlow (edited) (1998), “The Nature of Diamonds”, Cambridge University Press, UK , 23-47 HPHT annealing is the current commercial method for improving the color of natural brown diamonds since 1999, which range from 1800-2500 ° C. to prevent diamond graphitization. Temperature and high pressure within the range of 5 GPA, eg AT Collins, H. Kanda, and H. Kitawaki, “Color change produced in natural brown diamonds by high-pressure, high-temperature treatment”, Diamond Relat Mater. 9, 113-122 (2000); Alan T. Collins, Alex Connor, Cheng-Han Ly, Abdulla Shareef, Paul M. Spear, "High-temperature annealing of optical centers in type-1 diamond", J. Appl. Phys. 97, 083517 (2005); D. Fisher and And R. A. Spits, Gems. Gemol. 36, 42 (2000)). The brown reduction seen in low nitrogen natural diamonds is due to annealing of plastic deformation (see, eg, LS Hounsome et al., “Origin of brown coloration in diamond”, Physical Review B 73, 125203 (2006)). ). In the nitrogen-containing diamond, vacancies generated by the dislocation during the annealing are trapped to form an NVN center, and the neutrally charged H3 band makes the diamond a yellow-green color.

わずかな天然褐色ダイヤモンドが、高温処理(>700℃)によって無色又はほぼ無色に変えられている(例えば、Ming-sheng Pengら「Studies on color enhancement of diamond」, Hunan Geology Supp, 17-21 (1992)を参照されたい)。   A few natural brown diamonds have been made colorless or nearly colorless by high temperature treatment (> 700 ° C.) (eg Ming-sheng Peng et al. “Studies on color enhancement of diamond”, Hunan Geology Supp, 17-21 (1992 )).

窒素ドープしたSC−CVDダイヤモンド中には以下の欠陥が観察される。置換窒素(Ns及びNs)、窒素−空孔複合体(NV及びNV)、窒素−空孔−水素(NVH)、空孔−水素複合体、ケイ素−空孔複合体、及び非ダイヤモンド炭素。 The following defects are observed in nitrogen-doped SC-CVD diamond. Substituted nitrogen (Ns 0 and Ns + ), nitrogen-vacancy complex (NV and NV 0 ), nitrogen-vacancy-hydrogen (NVH ), vacancy-hydrogen complex, silicon-vacancy complex, and Non-diamond carbon.

米国特許第7,172,655号は、所望の色、例えばピンク〜緑の範囲の色の単結晶CVDダイヤモンドの製造方法に関するものである。   U.S. Pat. No. 7,172,655 relates to a method for producing single crystal CVD diamond of a desired color, for example in the range of pink to green.

本発明者ら3名は、ある単結晶褐色CVDダイヤモンドを無色透明単結晶ダイヤモンドに変換するための、従来の高温高圧装置中の反応容器を使用した、1800〜2900℃の温度及び5〜7GPaの圧力において約1〜60分間の、単結晶黄色又は褐色CVDダイヤモンドのHPHTアニールを開示している(2004年7月13日に出願された米国特許出願第10/889,171号を参照されたい)。より詳細には、Hemley博士、Mao博士、及びYan博士は、約1400〜1460℃の温度において、N/CH比4〜5%を有する雰囲気中、ダイヤモンド安定領域外の少なくとも4.0GPaの圧力において、高成長速度で成長した単結晶黄色又は淡褐色CVDダイヤモンドをアニールして、無色単結晶ダイヤモンドにすることができることを発見した。このようにアニールしたCVDダイヤモンドのラマンスペクトル及びPLスペクトルによって、このような無色単結晶ダイヤモンド中の水素化非晶質炭素の消失、及びこのような無色単結晶ダイヤモンド中のN−V不純物の顕著な減少が示された。これらの変化は、I. M. Reinitzらの報告の褐色天然ダイヤモンドのHPHTアニールによって得られる透明性の向上と類似していると思われる。 Three of the present inventors used a reaction vessel in a conventional high-temperature and high-pressure apparatus to convert a single crystal brown CVD diamond into a colorless transparent single crystal diamond, a temperature of 1800-2900 ° C. and 5-7 GPa. Discloses HPHT annealing of single crystal yellow or brown CVD diamond for about 1-60 minutes at pressure (see US patent application Ser. No. 10 / 889,171 filed Jul. 13, 2004). . More specifically, Drs. Hemley, Dr. Mao, and Dr. Yan at least 4.0 GPa outside the diamond stable region in an atmosphere having a N 2 / CH 4 ratio of 4-5% at a temperature of about 1400-1460 ° C. It has been discovered that at pressure, single crystal yellow or light brown CVD diamond grown at a high growth rate can be annealed into colorless single crystal diamond. The Raman and PL spectra of CVD diamond thus annealed reveal the disappearance of hydrogenated amorphous carbon in such colorless single crystal diamond and the significant NV impurities in such colorless single crystal diamond. A decrease was shown. These changes appear to be similar to the improved transparency obtained by HPHT annealing of brown natural diamond reported by IM Reinitz et al.

上記方法の結果に伴う高圧によって、高コストとなり得る。従って、ダイヤモンドのある種の特徴、例えば光学的性質を改善するために、ダイヤモンドの低圧アニール方法が開発されることが望ましい。さまざま種類のダイヤモンド、例えば、限定するものではないが、CVDダイヤモンド(単結晶及び多結晶のダイヤモンド)、HPHTダイヤモンド、及び天然ダイヤモンドに使用可能な低温アニール方法が開発されることも望ましい。   The high pressure associated with the results of the above method can be expensive. Accordingly, it is desirable to develop a low pressure annealing method for diamond to improve certain characteristics of diamond, such as optical properties. It would also be desirable to develop low temperature annealing methods that can be used for various types of diamond, such as, but not limited to, CVD diamond (single crystal and polycrystalline diamond), HPHT diamond, and natural diamond.

本発明の目的は、ダイヤモンドの光学的性質を向上させることである。本発明の別の目的は、ダイヤモンドの色を淡くしたり、なくしたりすることである。本発明のさらに別の目的は、あらゆる種類のダイヤモンド、例えば、限定するものではないが単結晶及び多結晶のCVDダイヤモンド、HPHTダイヤモンド、並びに天然ダイヤモンドの品質を改善することである。本発明のさらなる目的は、低圧において操作される方法によって以上の目的を達成することである。他の目的は、本発明の以下の説明からも明らかとなるであろう。   The object of the present invention is to improve the optical properties of diamond. Another object of the present invention is to lighten or eliminate the color of the diamond. Yet another object of the present invention is to improve the quality of all kinds of diamonds, including but not limited to single and polycrystalline CVD diamond, HPHT diamond, and natural diamond. A further object of the present invention is to achieve these objects by a method operated at low pressure. Other objects will become apparent from the following description of the invention.

発明の概要
大まかに言えば、本発明は、ダイヤモンドのアニール方法、又はダイヤモンドの光学的性質を改善して、関連分野の制限及び欠点による1つ又はそれ以上の問題を実質的に解消する方法に関する。
SUMMARY OF THE INVENTION Broadly speaking, the present invention relates to a method for annealing diamond or a method for improving the optical properties of diamond to substantially eliminate one or more problems due to limitations and disadvantages of the related art. .

本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の説明に記載されていたり、説明から明らかとなったり、又は本発明の実施から学ぶことができる。本発明の目的及び他の利点は、記載の説明及び特許請求の範囲に特に示される構造によって実現され達成される。   Additional features and advantages of the invention will be set forth in the description which follows, and will be apparent from the description, or may be learned from practice of the invention. The objectives and other advantages of the invention will be realized and attained by the structure particularly pointed out in the written description and claims hereof.

これらの目的及びその他の利点を実現するために、具体化され概説される本発明の目的によると、ダイヤモンドの光学的品質を改善する方法は、ダイヤモンドの温度を約1000℃〜約2200℃に上昇させるステップと、ダイヤモンドの圧力をダイヤモンド安定領域外の約5気圧以下に制御するステップとを含む。上記条件は、還元雰囲気下で制御され、ダイヤモンドは、ダイヤモンドの端部に隣接するダイヤモンドの側面に熱的接触を形成するヒートシンキングホルダー内に保持される。   In order to achieve these and other advantages, according to the object of the invention, which is embodied and outlined, a method for improving the optical quality of diamond raises the temperature of the diamond from about 1000 ° C. to about 2200 ° C. And controlling the pressure of the diamond to about 5 atmospheres or less outside the diamond stability region. The above conditions are controlled under a reducing atmosphere, and the diamond is held in a heat sinking holder that forms thermal contact with the side of the diamond adjacent to the edge of the diamond.

CVDダイヤモンドの製造方法であって、成長するダイヤモンド結晶の温度が900〜1400℃の範囲内となり、ダイヤモンドの成長表面全体での温度勾配を最小限にするために、高融点及び高熱伝導率を有する材料でできたヒートシンクホルダー中にダイヤモンドを搭載することで、ダイヤモンドの成長表面の温度を制御するステップと、150torrを超える雰囲気を有する堆積チャンバ内で、マイクロ波プラズマ化学蒸着によって、ダイヤモンドの成長表面上にダイヤモンドを成長させるステップであって、上記雰囲気が、1単位のH当たり約8%から約30%を超えるまでのCHを含むステップと、成長した単結晶ダイヤモンドを、ヒートシンクホルダー内に維持したままチャンバから取り出すステップと、ダイヤモンド安定領域外の約1〜約760torrの圧力において、還元雰囲気中で、CVDダイヤモンドの温度を約1400℃から約2200℃に約5秒〜3時間の時間の間上昇させるステップとを含む、方法も開示する。上記方法で製造されたCVDダイヤモンドは単結晶CVDダイヤモンドである場合もある。 A method for producing CVD diamond, wherein the temperature of the growing diamond crystal is in the range of 900-1400 ° C., and has a high melting point and high thermal conductivity in order to minimize the temperature gradient across the diamond growth surface. By mounting the diamond in a heat sink holder made of material, the step of controlling the temperature of the growth surface of the diamond and in the deposition chamber having an atmosphere exceeding 150 torr by microwave plasma chemical vapor deposition on the growth surface of the diamond And growing the single crystal diamond in a heat sink holder, wherein the atmosphere comprises CH 4 from about 8% to more than about 30% per unit of H 2; Step out of the chamber and diamond And increasing the temperature of the CVD diamond from about 1400 ° C. to about 2200 ° C. for a time of about 5 seconds to 3 hours in a reducing atmosphere at a pressure of about 1 to about 760 torr outside the constant region. Disclose. The CVD diamond produced by the above method may be a single crystal CVD diamond.

本発明の以上の概要と以下の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的であり、特許請求される本発明のさらなる説明を提供することを意図するものと理解されたい。   It is to be understood that both the foregoing summary of the invention and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the claimed invention.

成長速度対単結晶CVDダイヤモンドの色のグラフであり、一部のダイヤモンドは光学的品質を改善するために本開示の低圧高温方法によりアニールした。FIG. 5 is a graph of growth rate versus single crystal CVD diamond color, with some diamonds annealed by the low pressure high temperature method of the present disclosure to improve optical quality. 低圧アニール処理の前後におけるCVDダイヤモンドの写真である。It is a photograph of CVD diamond before and after low-pressure annealing treatment. アニール前後のダイヤモンドのUV−VIS吸収スペクトルを示している。2 shows UV-VIS absorption spectra of diamond before and after annealing. アニール前後の褐色ダイヤモンドのフォトルミネッセンススペクトルを示している。2 shows photoluminescence spectra of brown diamond before and after annealing. 図5a及び図5bは、アニール前後のダイヤモンドの赤外吸収スペクトルを示している。5a and 5b show the infrared absorption spectra of diamond before and after annealing.

発明の詳細な説明
これより本発明の好ましい実施形態について詳細に言及する。
本発明の方法は、実質的に2つの部分を有する。その第1は、ダイヤモンドをアニールする、又はその光学的性質を改善する低圧方法であり、第2は、a)単結晶ダイヤモンド、好ましくは単結晶ダイヤモンドを、好ましくはマイクロ波プラズマ化学蒸着によって成長させるステップと、次に、b)成長したダイヤモンドをアニールする、又は化学的性質を改善するための低圧方法を行うステップとによる、高い光学的品質のダイヤモンドを迅速に製造する2段階方法である。色の悪いダイヤモンド(例えば、褐色ダイヤモンド)が製造されるのが一般的な速度で急速に成長させたCVDダイヤモンドの品質を改善する手段となる限りにおいて、後者の方法は特に有用である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the invention.
The method of the present invention has substantially two parts. The first is a low pressure method that anneals diamond or improves its optical properties, and the second is a) growing single crystal diamond, preferably single crystal diamond, preferably by microwave plasma chemical vapor deposition. A two-stage process for rapidly producing high optical quality diamonds by steps and then b) performing annealed diamond or performing a low pressure process to improve chemistry. The latter method is particularly useful as long as the production of poorly colored diamonds (eg brown diamonds) is a means of improving the quality of CVD diamond grown rapidly at a common rate.

本出願の方法に言及する場合に使用される用語「アニール」は、ダイヤモンドの特定の性質の改善、例えば、限定するものではないが、残留応力の減少、欠陥の除去、並びに色の淡色か又は除去を行うことと理解されたい。例えば、アニールは、ダイヤモンドの光学的品質を改善することと理解されたい。   The term “anneal” as used when referring to the method of the present application is intended to improve certain properties of diamond, such as, but not limited to, reducing residual stress, removing defects, and It should be understood as performing removal. For example, annealing should be understood to improve the optical quality of diamond.

ダイヤモンド高温低圧アニール方法(以下、「HT」アニール又は「HT」方法とも呼ばれる)は、あらゆる種類のダイヤモンド、例えば、限定するものではないが、単結晶CVDダイヤモンド、多結晶CVDダイヤモンド、HPHTダイヤモンド、及び天然ダイヤモンドに対して行うことができる。好ましい一実施形態では、ダイヤモンドをアニールする方法、又はダイヤモンドの光学的性質を改善する方法は、CVDダイヤモンドを使用して行われる。より好ましい一実施形態では、この方法は単結晶CVDダイヤモンドを使用して行われる。   Diamond high temperature low pressure annealing methods (hereinafter also referred to as “HT” annealing or “HT” methods) can be any type of diamond, including, but not limited to, single crystal CVD diamond, polycrystalline CVD diamond, HPHT diamond, and This can be done for natural diamonds. In a preferred embodiment, the method of annealing the diamond or improving the optical properties of the diamond is performed using CVD diamond. In a more preferred embodiment, the method is performed using single crystal CVD diamond.

低圧高温アニール方法においてダイヤモンドの温度を上昇させるために使用される加熱源としては、マイクロ波、熱フィラメント、加熱炉、又はオーブンの加熱源が挙げられるが、これらに限定されるものではない。   The heating source used to raise the diamond temperature in the low pressure high temperature annealing method includes, but is not limited to, a microwave, hot filament, heating furnace, or oven heating source.

低圧高温アニール処理は、ダイヤモンドの色を少なくとも3グレード向上させることができる。例えば、褐色Kグレードの色をアニール処理すると、Gグレードまで向上させることができる。褐色Gグレードの色は、前記アニール処理によって、約550nmの透過率でピンク色を有するE〜Fグレードに向上させることができる。このような色の向上は、本発明の高温低圧方法が、例えば、米国特許出願第10/889,171号に開示される高温高圧アニール方法を使用して達成される結果と同等の結果が得られることを示している。   Low pressure high temperature annealing can improve the color of the diamond by at least three grades. For example, when the brown K grade color is annealed, it can be improved to the G grade. The brown G grade color can be improved to the E to F grade having a pink color with a transmittance of about 550 nm by the annealing treatment. Such color enhancement results in comparable results to those achieved by the high temperature and low pressure method of the present invention using, for example, the high temperature and high pressure annealing method disclosed in US patent application Ser. No. 10 / 889,171. It is shown that.

色は、800nmにおける100%の規格化透過率によって評価され、400nmにおいてそれぞれ80、70、60、50、40、30、20、10、0%の透過率に従って、E、F、G、H、I、J、K、L、及びMの値が割り当てられる。前述したように、低圧高温アニール処理によって色が3グレード向上する。   The color is evaluated by 100% normalized transmission at 800 nm and according to the transmission of 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 0% respectively at 400 nm, E, F, G, H, Values of I, J, K, L, and M are assigned. As described above, the color is improved by three grades by the low pressure and high temperature annealing treatment.

より具体的に図面を参照すると、図1は、単結晶CVDダイヤモンドの成長速度対色のグラフを示しており、一部のダイヤモンドは、本開示の低圧高温方法によってアニールして光学的品質を改善させた。グラフ中に示したダイヤモンドは、10ppb未満から400ppmを超えるまでの窒素不純物を有するタイプI又はタイプIIダイヤモンドとしての高品質の単結晶CVDダイヤモンドである。これらのダイヤモンドは厚さが18mm(15カラット)を超え、例えば米国特許出願第11/438,260号及び第11/599,361号に開示される非常に速い成長速度の方法を使用して本発明者らが製造した。これらのダイヤモンドは、約1400℃〜約2200℃の温度で約5秒〜約3時間アニールした。ダイヤモンドは、約1torr〜約5気圧の還元雰囲気中に維持し、これによってダイヤモンドの顕著な黒鉛化が防止されると理解されている。ほとんどの試験で還元雰囲気を維持するために水素を使用した。マイクロ波プラズマCVDによって加熱されたダイヤモンドは、モリブデン製ホルダーの内側に取り付けられ、このホルダーの一例は、例えば米国特許第6,858,078号に開示されている。次に、温度分布を均一にするためと、マイクロ波プラズマによるエッチングや、クラックが生じる程度までのダイヤモンド加熱を防止するために、ホルダー中のダイヤモンドをグラファイト粉末で取り囲む。   Referring more specifically to the drawing, FIG. 1 shows a growth rate versus color graph of single crystal CVD diamond, with some diamonds annealed by the low pressure high temperature method of the present disclosure to improve optical quality. I let you. The diamond shown in the graph is a high quality single crystal CVD diamond as a Type I or Type II diamond with nitrogen impurities from less than 10 ppb to more than 400 ppm. These diamonds are over 18 mm (15 carats) thick and can be made using the very fast growth rate methods disclosed, for example, in US patent application Ser. Nos. 11 / 438,260 and 11 / 599,361. Manufactured by the inventors. These diamonds were annealed at a temperature of about 1400 ° C. to about 2200 ° C. for about 5 seconds to about 3 hours. It is understood that the diamond is maintained in a reducing atmosphere of about 1 torr to about 5 atmospheres, thereby preventing significant graphitization of the diamond. In most tests, hydrogen was used to maintain a reducing atmosphere. Diamond heated by microwave plasma CVD is mounted inside a molybdenum holder, an example of which is disclosed, for example, in US Pat. No. 6,858,078. Next, the diamond in the holder is surrounded with graphite powder in order to make the temperature distribution uniform and to prevent etching by microwave plasma and diamond heating to such an extent that cracks occur.

前述の低圧高温アニール方法で処理した単結晶CVDダイヤモンドは、以下の特徴の少なくとも1つを有する。
1.暗色のダイヤモンドが、無色、又はファンシーカラー、例えば薄いピンク、赤、又は紫を有するほぼ無色に変化する。
2.レーザーによって励起される575nm及び637nmにおける元の窒素−空孔不純物のN−VセンターのPL強度が増加又は減少し、アニールステップまでは存在しなかった503nmにおけるH3センター(窒素−空孔複合体)が生じる。
3.2930cm−1におけるa−C:H赤外吸収広域帯がアニールされると、よく分離された、主として2810cm−1、2870cm−1、及び2900cm−1における{111}及び{100}C−H伸縮振動ピークとなる。約7357cm−1、6856cm−1、及び6429cm−1における水素によって誘導される電子遷移吸収が大きく減少する。
4.偏光顕微鏡下で、より少ない光複屈折は、元のダイヤモンドよりもひずみが少ないことを示す。
5.ビッカーズ硬度試験によって破壊線の減少が示され、これは靱性がより高いことを示している。
The single crystal CVD diamond treated by the above-described low-pressure high-temperature annealing method has at least one of the following characteristics.
1. Dark diamonds turn colorless or fancy colors, e.g. light pink, red, or purple, almost colorless.
2. The H3 center at 503 nm (nitrogen-vacancy complex), where the PL intensity of the NV center of the original nitrogen-vacancy impurity at 575 nm and 637 nm excited by the laser increased or decreased and did not exist until the annealing step Occurs.
When the aC: H infrared absorption broad band at 3.2930 cm −1 is annealed, it is well separated, mainly {111} and {100} C— at 2810 cm −1 , 2870 cm −1 , and 2900 cm −1 . H stretching vibration peak. The electronic transition absorption induced by hydrogen at about 7357 cm −1 , 6856 cm −1 , and 6429 cm −1 is greatly reduced.
4). Under a polarizing microscope, less optical birefringence indicates less distortion than the original diamond.
5). The Vickers hardness test shows a reduction in fracture line, indicating higher toughness.

前述の高温低圧アニール方法によりアニールした低及び高窒素不純物を有するダイヤモンドは、例えば、限定するものではないが光学、機械的及び電子的用途、宝石、レーザーの窓及び利得媒質、ヒートシンク、量子計算、半導体、及び耐摩耗性用途などの使用に適している。   Diamonds having low and high nitrogen impurities annealed by the aforementioned high temperature low pressure annealing method include, but are not limited to, optical, mechanical and electronic applications, jewelry, laser windows and gain media, heat sinks, quantum calculations, Suitable for use in semiconductors and wear resistant applications.

図1に見られるように、50sccm CH中0.2sccm Nを使用してマイクロ波プラズマCVDによって成長させた褐色ダイヤモンド、及び50sccm CH中の0.1sccm Nを使用してマイクロ波プラズマCVD(MPCVD)によって成長させた淡褐色ダイヤモンドは、それぞれK〜M及びH〜Kの範囲の色を有した。低圧高温処理後、ダイヤモンドの色は以下の範囲となった。褐色ダイヤモンド(G〜J)及び淡褐色ダイヤモンド(E〜G)。これは、約3つの色グレードの色の向上が、本発明の低圧高温アニール方法を行うこことによって実現されることを示している。 As seen in Figure 1, the microwave plasma using 50 sccm CH 4 in brown diamonds grown by microwave plasma CVD using 0.2 sccm N 2, and 0.1 sccm N 2 in 50 sccm CH 4 Light brown diamonds grown by CVD (MPCVD) had colors ranging from KM and HK, respectively. After the low pressure and high temperature treatment, the diamond color was in the following range. Brown diamond (G to J) and light brown diamond (EG). This shows that the color enhancement of about three color grades can be realized by performing the low pressure high temperature annealing method of the present invention.

図2は、低圧高温アニール処理の前後のMPCVDダイヤモンドの写真を示している。3つの別々の写真において、左側のダイヤモンドは、低圧高温アニール方法で処理していない。右側のダイヤモンドは、低圧高温アニール方法で処理している。処理前と処理後のダイヤモンドの透明性の差は、写真から容易に明らかとなる。   FIG. 2 shows photographs of MPCVD diamond before and after low pressure high temperature annealing. In three separate photos, the diamond on the left has not been treated with a low pressure, high temperature annealing method. The diamond on the right side is processed by a low pressure high temperature annealing method. The difference in the transparency of the diamond before and after processing is readily apparent from the photographs.

実施例
非常に速い成長速度方法でCarnegie Institutionが製造した種々のSC−CVDダイヤモンドは以下の性質を有する。(1)二次イオン質量分析計(SIMS)測定で測定した場合に10ppb未満から400ppmを超えるまでの窒素不純物、(2)タイプI及びタイプIIダイヤモンドとして無色〜ほぼ無色〜褐色の色、(3)厚さ18mm(又は15カラット)を超えるまでのサイズ。600〜1400℃の温度で意図的に窒素を加えて製造したこれらのダイヤモンドは、成長速度が向上し、{100}ファセット成長が促進され、双晶及び多結晶のダイヤモンドの形成が防止されることが示された。褐色の強さは、大部分は温度及びガス中の窒素濃度に依存する。ほぼ無色から褐色のSC−CVDダイヤモンドは、2%N/CH未満の窒素濃度で製造することができ、514nmレーザースペクトルによって励起されるラマンにおいて1500cm−1付近に明らかな非ダイヤモンド炭素帯を有する褐色から暗褐色のダイヤモンドは、20%〜1000%N/CHにおいて製造することができる。
EXAMPLES Various SC-CVD diamonds produced by Carnegie Institution in a very fast growth rate method have the following properties. (1) Nitrogen impurities from less than 10 ppb to more than 400 ppm as measured by secondary ion mass spectrometer (SIMS) measurement, (2) colorless to almost colorless to brown color as type I and type II diamonds, (3 ) Sizes up to more than 18 mm (or 15 carats) thick. These diamonds produced by intentionally adding nitrogen at a temperature of 600-1400 ° C. increase the growth rate, promote {100} facet growth and prevent the formation of twin and polycrystalline diamonds. It has been shown. The intensity of brown is largely dependent on temperature and nitrogen concentration in the gas. Nearly colorless to brown SC-CVD diamond can be produced with a nitrogen concentration of less than 2% N 2 / CH 4 and has a clear non-diamond carbon band around 1500 cm −1 in Raman excited by the 514 nm laser spectrum. dark brown diamonds brown with can be prepared in 20% ~1000% N 2 / CH 4.

褐色ダイヤモンドを、1400から2200℃を超えるまでの高温で、2時間から1分未満までの時間、200torrの水素ガス圧力で、マイクロ波プラズマCVDチャンバ内でアニールした。これらのダイヤモンドは、マイクロ波プラズマCVD方法で加熱し、温度分布を均一にするためと、マイクロ波及びプラズマによる局所的なエッチング、並びに熱によるクラック(thermal cracking)が生じ得るダイヤモンドの加熱を防止するためのグラファイト粉末で囲まれたモリブデン製ホルダーの内側に入れた。   The brown diamond was annealed in a microwave plasma CVD chamber at a high temperature from 1400 to over 2200 ° C. for a time from 2 hours to less than 1 minute at a hydrogen gas pressure of 200 torr. These diamonds are heated by the microwave plasma CVD method to prevent uniform heating and to prevent diamond heating that can cause local etching by microwaves and plasma and thermal cracking. Placed inside a molybdenum holder surrounded by graphite powder.

褐色で靱性のSC−CVDダイヤモンドは、高温(例えば1600℃を超える)、ダイヤモンド安定性圧力外の低圧、及び高エネルギー水素プラズマエッチング下の条件で生じる顕著な黒鉛化及びクラックを防止するために、高品質単結晶ダイヤモンドであるべきことに留意する必要がある。1400〜2200℃における高温処理後の単結晶CVDダイヤモンドは、光学的、電子的、及び機械的特性の顕著な向上を示す。   Brown and tough SC-CVD diamonds prevent significant graphitization and cracking that occur at high temperatures (eg, above 1600 ° C.), low pressures outside the diamond stability pressure, and high energy hydrogen plasma etching conditions. It should be noted that it should be a high quality single crystal diamond. Single crystal CVD diamond after high temperature treatment at 1400-2200 ° C. shows a marked improvement in optical, electronic and mechanical properties.

10ppm未満の窒素不純物量、0.2〜3mmの厚さでHTアニールすることによって作製した40枚以上のタイプIIのSC−CVDダイヤモンド板について以下のような特性決定を行った。   Forty or more Type II SC-CVD diamond plates produced by HT annealing with a nitrogen impurity content of less than 10 ppm and a thickness of 0.2-3 mm were characterized as follows.

I.UV−VIS吸収:HT処理後、褐色ダイヤモンドは、無色又は、ファンシーカラー、例えば薄いピンク、赤、紫、又はオレンジ−ピンクを有するほぼ無色に変化した。図3中のUV−VIS吸収スペクトルに見られるように、暗色のダイヤモンドは、通常、可視領域内に3つの広い吸収バンド:270nm置換窒素吸収、370及び550nmを有するが、HTアニール後には広いバンドが減少する。類似の色の向上が、HPHTアニールにおいて報告されている。色グレードは平均で3グレード、例えばJカラーからGカラーまで向上し、これらのグレードは吸収スペクトルから評価される。CVDダイヤモンドの顕著な色の向上は、1500℃未満の場合に大気圧下でアニールしたダイヤモンドには観察されなかった。   I. UV-VIS absorption: After HT treatment, the brown diamond turned colorless or nearly colorless with a fancy color, such as light pink, red, purple, or orange-pink. As seen in the UV-VIS absorption spectrum in FIG. 3, dark diamonds typically have three broad absorption bands in the visible region: 270 nm substitutional nitrogen absorption, 370 and 550 nm, but a wide band after HT annealing. Decrease. Similar color enhancements have been reported in HPHT annealing. The color grade improves on average from 3 grades, for example from J color to G color, and these grades are evaluated from the absorption spectrum. No significant color improvement of CVD diamond was observed for diamond annealed at atmospheric pressure below 1500 ° C.

II.フォトルミネッセンス:図4中に見られる褐色CVDダイヤモンドフォトルミネッセンス(PL)スペクトルは、レーザーによって励起された575nm及び637nmにおける元の窒素−空孔不純物[N−V]及び[N−V]センターの強度が依然として存在し、HTアニール前には存在しなかった503nmにおけるH3センター(窒素−空孔複合体)が現れ始めているのが示されている。HTアニールを行うときに、N−Vセンターには2つの段階が存在する。アニールをより低い温度又は短い時間で行った後では、[N−V](575nm)及び[N−V](637nm)センターのPL強度は1〜5倍に増加し、488nmの励起によって強いオレンジの蛍光が得られる。アニール前、アズグローン(as-grown)の褐色ダイヤモンドでは暗赤色の蛍光が見られる。HTアニールCVDダイヤモンドのオレンの色相は、このオレンジの蛍光に由来すると考えられる。より高い温度又は長いアニール時間では、[N−V]及び[N−V]センターのPL強度が低下する。HPHT処理とは異なり、量子コンピュータ用途に関連するN−Vセンターは明らかに減少又は消失し、PLスペクトルの強いH3センターによって支配される。[N−V]センター(637nm)の部分が低下する傾向となる。このことは、主として[N−V]センターに由来する非結合電子が結合し始めて575及びH3センターを形成することで、電子中心の含有率が減少し、そのため色の向上と関連することを意味する場合がある。 II. Photoluminescence: The brown CVD diamond photoluminescence (PL) spectrum seen in FIG. 4 shows the original nitrogen-vacancy impurities [N−V] 0 and [N−V] at 575 nm and 637 nm excited by the laser. It is shown that the H3 center (nitrogen-vacancy complex) at 503 nm, which did not exist before HT annealing, has begun to appear. There are two stages at the NV center when performing HT annealing. After annealing at a lower temperature or for a shorter time, the PL intensity of the [N-V] 0 (575 nm) and [N-V] (637 nm) centers increased 1 to 5 times, and due to excitation at 488 nm Strong orange fluorescence is obtained. Before annealing, the as-grown brown diamond shows dark red fluorescence. It is thought that the hue of orene in HT annealed CVD diamond is derived from this orange fluorescence. At higher temperatures or longer annealing times, the PL strength of [N−V] 0 and [N−V] centers is reduced. Unlike HPHT processing, NV centers associated with quantum computer applications are clearly diminished or disappeared and are dominated by strong H3 centers in the PL spectrum. [N-V] - it is part of the center (637 nm) tends to decrease. This is primarily [N-V] - By unbonded electrons from the center to form a 575 and H3 centers begin to bond, the content of the electronic center is reduced, that is associated with improvement in their order color May mean.

III.赤外吸収:赤外吸収スペクトルによって、水素に関連する振動、及びHTアニール後の電子構造の変化が分かる。図5は、2800〜3200cm−1の範囲内のC−H伸縮振動バンドを示している。水素化非晶質炭素(a−C:H)に帰属する2930cm−1における広いバンドが、褐色CVDダイヤモンドにおいて観察される。この強度は、ダイヤモンドの褐色及びその高い靱性と相関している。a−C:Hピークは、HTアニールによって、2810cm−1({111}上のsp混成結合)、2870(sp−CH)、及び2900cm−1({100}上のsp混成結合)、2925(sp−CH−)、2937及び2948cm−1、3032及び3053cm−1(sp混成結合)において十分に分離されたC−H伸縮バンドとなった。CVD中の{111}面は、アズグローンの褐色{100}CVDダイヤモンド中のダングリングボンドを有する比較的開いたa−C:H構造が、アニールによって、向上した色を有する局所的により緻密な構造(2)に変化したことを示している。色の向上に関して可能性のある機構は、HPHTアニールされるCVDダイヤモンドのC−H伸縮の観察に基づいて説明されてきている。電子遷移領域内では(図5b)、7357cm−1(0.913eV、水素誘導電子遷移)、7220cm−1、6856及び6429cm−1における大きな吸収、並びに8761及び5567cm−1における小さな吸収が大きく減少したり消失したりしている。さらに、近赤外領域の5000〜10000cm−1の連続的に増加する吸収が減少する。以上のHTアニールの効果は、HPHTアニールの効果と類似している。例外の1つは、HTダイヤモンド及び原材料のCVDダイヤモンドが、3124cm−1ピーク(1つのCを含むH)、並びに7357cm−1、7220cm−1、6856及び6429cm−1を有するが、HPHTダイヤモンドはこれらを有さないことである。さらにHTダイヤモンドは、灰色と関連する3107cm−1(sp −CH=CH−)を有さず、HPHTアニールサンプル中には存在し、2972(sp −CH−(28))及び2991cm−1でも同様である。発生し得る別の差は、高圧によって誘導されるsp C−H結合シフトが3〜15cm−1だけ波数が大きいことであり、HPHTアニールサンプルでは2820cm−1、2873cm−1、及び2905cm−1となる。 III. Infrared absorption: The infrared absorption spectrum reveals vibrations associated with hydrogen and changes in the electronic structure after HT annealing. FIG. 5 shows a C—H stretching vibration band in the range of 2800 to 3200 cm −1 . A broad band at 2930 cm −1 attributed to hydrogenated amorphous carbon (aC: H) is observed in brown CVD diamond. This strength correlates with the brown color of diamond and its high toughness. a-C: H peak by HT annealing, (sp 3 hybridized bonds on {111}) 2810cm -1, 2870 (sp 3 -CH 3), and sp 3 hybrid bonds on 2900cm -1 ({100} ), 2925 (sp 3 —CH 2 —), 2937 and 2948 cm −1 , 3032 and 3053 cm −1 (sp 2 hybrid bonds), the C—H stretch bands were sufficiently separated. The {111} face during CVD is a locally denser structure with a relatively open aC: H structure with dangling bonds in as-grown brown {100} CVD diamond but with enhanced color upon annealing. (2) shows the change. A possible mechanism for color enhancement has been described based on the observation of C—H stretching of CVD diamond that is HPHT annealed. In electronic transitions within region (Fig. 5b), 7357cm -1 (0.913eV, hydrogen induced electronic transitions), 7220cm -1, large absorption, and a small absorption greatly reduced in 8761 and 5567cm -1 in 6856 and 6429cm -1 Or disappear. Furthermore, the continuously increasing absorption of 5000 to 10000 cm −1 in the near infrared region decreases. The effect of the above HT annealing is similar to the effect of HPHT annealing. One exception is that HT diamond and raw material CVD diamond have 3124 cm −1 peaks (H containing 1 C) and 7357 cm −1 , 7220 cm −1 , 6856 and 6429 cm −1 , but HPHT diamonds It is not having. Furthermore, HT diamond does not have 3107 cm −1 (sp 2 —CH═CH—) associated with gray and is present in HPHT annealed samples, 2972 (sp 2 —CH 2 — (28)) and 2991 cm −. 1 is the same. Another difference that can occur is that the sp 3 C—H bond shift induced by high pressure is 3-15 cm −1 higher in wavenumber, with HPHT anneal samples 2820 cm −1 , 2873 cm −1 , and 2905 cm −1. It becomes.

IV.複屈折:直交偏光子を使用した顕微鏡下、HTアニールしたダイヤモンドでは低い光複屈折が観察され、このことは、アニールしていない元のダイヤモンドよりも歪みが少ないことを示しており、それによって色票が黄色から灰色に変わり、2つの交差方向の歪みが1つの方向になることも、応力の減少をさらに示している。   IV. Birefringence: Under the microscope using crossed polarizers, HT annealed diamonds show lower optical birefringence, indicating less distortion than the original unannealed diamond, which The fact that the vote turns from yellow to gray and the two cross-direction strains become one direction further illustrates the reduction in stress.

HTアニール前後のCVDダイヤモンドの特性決定を、HPHTアニールと比較することによって、アニール機構、並びに褐色及びピンク色の原因が分かる。UV−VIS、PL、及びSR−FTIRのスペクトルに基づくと、CVD褐色ダイヤモンドの高温アニールの根底にある機構を推定することができる。アニール温度が上昇すると、PL及びSR−FTIRのスペクトルによって、色の変化に3つの重要な段階があることが分かる。第1の段階では、温度が700℃に到達すると、空孔が移動できるようになり、空孔がNsセンターで捕捉されるために、より多くのNVセンターが形成される。推測であるが、このことが、より低温又は短時間のアニールの後で、NV及びNVセンターのPL強度が増加する理由であると考えられる。1400まででは褐色は依然として減少しない。第2に、1400℃まで加熱すると、色の変化が始まる。推測であるが、これは、この温度で水素が移動可能になるためだと思われる。多結晶CVDダイヤモンドを1700K(1400℃)でアニールすると、内部粒界上又は粒間物質中の一部の水素が移動可能になることが分かった。D. F. Talbot-Ponsonby, M. E. Newton, J. M. Baker, G. A. Scarsbrook, R. S. Sussmann,及びA. J. Whitehead. Phys. Rev. B 57, 2302-2309 (1998)を参照されたい。従って、FTIRスペクトルで、a−C:Hが減少し、水素は{100}及び{111}上でC−H結合を形成する。第一原理モデリングの研究では、水素が{111}空孔ディスクの光学活性を不活性化できることを示している。L. S. Hounsomeら,「Origin of brown coloration in diamond」, Physical Review B 73, 125203 (2006)を参照されたい。270及び370nmの吸収が減少しながら、550nmの吸収は増加するか、又は変化しないままとなると、その結果ピンクがかった褐色、橙褐色、又は紫色が生じる。550nmの吸収バンドと575及び637nmのNVセンター発光バンドとの間には、鏡面対称の関係をみることができる。これによって、550nmの吸収がNVセンターによって起こることが示されたと思われる。従って、CVDダイヤモンドのピンクの色相は、安定なNVセンターによって生じる。 Comparing the CVD diamond characterization before and after HT annealing with HPHT annealing reveals the annealing mechanism and the cause of brown and pink colors. Based on the UV-VIS, PL, and SR-FTIR spectra, the mechanism underlying the high temperature annealing of CVD brown diamond can be deduced. As the annealing temperature is increased, the PL and SR-FTIR spectra show that there are three important steps in the color change. In the first stage, when the temperature reaches 700 ° C., the vacancies can move, and the vacancies are captured at the Ns center, so that more NV centers are formed. Presumably, this is believed to be the reason why the NV 0 and NV - center PL intensities increase after lower temperature or shorter time annealing. Until 1400, the brown color still does not decrease. Second, when heated to 1400 ° C, the color change begins. It is speculated that this is because hydrogen can move at this temperature. It has been found that when polycrystalline CVD diamond is annealed at 1700 K (1400 ° C.), some of the hydrogen on the internal grain boundaries or in the intergranular material can move. See DF Talbot-Ponsonby, ME Newton, JM Baker, GA Scarsbrook, RS Sussmann, and AJ Whitehead. Phys. Rev. B 57, 2302-2309 (1998). Thus, in the FTIR spectrum, aC: H decreases and hydrogen forms C—H bonds on {100} and {111}. First-principles modeling studies show that hydrogen can inactivate the optical activity of {111} -hole disks. See LS Hounsome et al., “Origin of brown coloration in diamond”, Physical Review B 73, 125203 (2006). If the absorption at 550 nm increases or remains unchanged while the absorption at 270 and 370 nm decreases, the result is a pinkish brown, orange brown or purple color. A mirror symmetry relationship can be seen between the absorption band at 550 nm and the NV center emission bands at 575 and 637 nm. This appears to indicate that the absorption at 550 nm is caused by the NV center. Thus, the pink hue of CVD diamond is caused by a stable NV center.

最良の色の向上は1700℃を超える温度で観察され、これによって褐色は、ピンク、無色、又はほぼ無色、或いは薄いピンク/緑になる。可能性のある理由の1つは、より多くの水素原子が運動する温度で窒素よりも水素によって空孔がより容易に捕捉され、同時に、この温度でNsも運動して凝集したH3を形成するため安定なNVセンターがアニールするためである。可能性のあるもう1つの変化は水素の減少である。より高温のアニール(1800〜2200℃)の後でさえも、C−H伸縮振動吸収のより低い強度を観察することができる。これは恐らくCH結合の破壊を示している。   The best color enhancement is observed at temperatures above 1700 ° C., which makes the brown color pink, colorless, or nearly colorless, or light pink / green. One possible reason is that vacancies are more easily trapped by hydrogen than nitrogen at the temperature at which more hydrogen atoms move, and at the same time Ns also moves at this temperature to form agglomerated H3. This is because the stable NV center anneals. Another possible change is a decrease in hydrogen. Even after higher temperature annealing (1800-2200 ° C.), a lower intensity of C—H stretching vibration absorption can be observed. This probably indicates the breaking of the CH bond.

CVDダイヤモンドの褐色と関連がある要因には、窒素、空孔、及び水素の3つがある。アズグローンのCVDダイヤモンドの褐色の強さは、ガス中の窒素濃度に依存する。[N−V](575nm)及び[N−V](637nm)センターの元のPL強度がアズグローンのCVDダイヤモンドで増加する場合にも、褐色は濃くなる。ダイヤモンドがアニールによってほぼ無色又は無色になると、NVセンターは減少又は消失する。褐色CVDダイヤモンド中のa−C:Hピークが高温低圧でアニールされると、種々の十分に分離されたC−H伸縮バンド及び水素によって誘導される電子遷移の吸収が減少される。a−C:Hピーク及び水素によって誘導される電子遷移吸収は、無色のアズグローンCVDダイヤモンドでは非常に少ないか又は存在しない。 There are three factors associated with the brown color of CVD diamond: nitrogen, vacancies, and hydrogen. The brown intensity of as-grown CVD diamond depends on the nitrogen concentration in the gas. [NV] 0 (575 nm) and [NV] (637 nm) The brown color also becomes darker when the original PL intensity of the center is increased with as-grown CVD diamond. When the diamond becomes nearly colorless or colorless upon annealing, the NV center decreases or disappears. When the aC: H peak in brown CVD diamond is annealed at high temperature and pressure, the absorption of various well-separated C-H stretching bands and hydrogen-induced electronic transitions is reduced. The electronic transition absorption induced by aC: H peaks and hydrogen is very little or absent in colorless as-grown CVD diamond.

CVDダイヤモンドのHPHTアニールと比較すると、高温低圧方法ははるかに安価である。サンプルの大きさに関しても自由度が高いが、その理由は、HPHT処理中、薄い板は亀裂が生じ、10cm立方を超える大きなサンプルはHPHTプレス中に取り付けることができないためである。色の向上以外に、高温低圧アニール方法は、少ない及び多い窒素不純物を有するダイヤモンドを製造することができる。このようなダイヤモンドの可能性のある用途の1つは、量子コンピュータにおける用途である。ピンクダイヤモンドは、量子コンピュータのホストとして有望であると考えられる。NVスピンは、実用的なキュービットに要求されるものの大部分が得られ、量子計算と関連して広く研究されている。吸収及び発光に基づくと、CVDダイヤモンドのピンク色はN−Vセンターに由来すると結論づけられる。高温低圧アニールによって製造されたピンクCVDダイヤモンドは、アズグローンのCVDダイヤモンドよりもNVセンターの強度が増加しており、一方、HPHT法ではアニールによってこのようなセンターが消失する。従って、高温低圧アニール法によってNVセンターの強度を制御することができる。従って、高温低圧アニールされたピンクCVDダイヤモンドは、将来、量子コンピュータの有望な材料となるべきである。 Compared to CVD diamond HPHT annealing, the high temperature low pressure method is much less expensive. There is also a high degree of freedom with respect to sample size, because during HPHT processing, thin plates crack and large samples over 10 cm cubic cannot be installed in the HPHT press. In addition to color enhancement, the high temperature low pressure annealing method can produce diamond with low and high nitrogen impurities. One potential use for such diamonds is in quantum computers. Pink diamond is considered promising as a host for quantum computers. NV - spin has obtained most of what is required for practical qubits and has been extensively studied in connection with quantum computing. Based on absorption and emission, it can be concluded that the pink color of CVD diamond originates from the NV center. Pink CVD diamond produced by high-temperature and low-pressure annealing has increased NV center strength as compared to as-grown CVD diamond, whereas such an HPCH method disappears due to annealing. Therefore, the strength of the NV center can be controlled by the high temperature low pressure annealing method. Therefore, high temperature low pressure annealed pink CVD diamond should become a promising material for quantum computers in the future.

本発明の精神及び実質的な特徴から逸脱することなく、いくつかの形態で本発明を具体化することができるが、特に明記しない限り、上述の実施形態は以上の説明の詳細のいずれかに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲において定義される本発明の精神及び範囲内で広く解釈されるべきであり、従って特許請求の範囲の境界及び制限、或いはそのような境界及び制限の同等物の範囲内にあるあらゆる変更及び修正は、従って、添付の特許請求の範囲によって包含されることを意図していることも理解すべきである。   The present invention may be embodied in a number of forms without departing from the spirit and substantial characteristics of the invention, but unless otherwise specified, the above embodiments are in any of the details of the above description. It is not intended to be limiting, but should be construed broadly within the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims, and thus the boundaries and limitations of the claims, or such boundaries and limitations. It should also be understood that any changes and modifications that fall within the scope of the equivalents are therefore intended to be embraced by the appended claims.

Claims (23)

ダイヤモンドの光学的性質を改善する方法であって、
(i)前記ダイヤモンドの温度を約1000℃〜約2200℃に上昇させるステップと、
(ii)前記ダイヤモンドの圧力をダイヤモンド安定領域外の約5気圧以下に制御するステップとを含み、
前記圧力が還元雰囲気中で制御され、
前記ダイヤモンドが、前記ダイヤモンドの端部に隣接する前記ダイヤモンドの側面に熱的接触を形成するヒートシンキングホルダー内に保持される、方法。
A method for improving the optical properties of diamond, comprising:
(I) raising the temperature of the diamond to about 1000 ° C. to about 2200 ° C .;
(Ii) controlling the diamond pressure to about 5 atmospheres or less outside the diamond stability region;
The pressure is controlled in a reducing atmosphere;
The method wherein the diamond is held in a heat sinking holder that forms thermal contact with a side of the diamond adjacent to an end of the diamond.
前記ヒートシンキングホルダー中の前記ダイヤモンドを、2500℃を超える融点を有する粉末で取り囲むステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising surrounding the diamond in the heat sinking holder with a powder having a melting point greater than 2500 degrees Celsius. 前記粉末がグラファイトを含む、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the powder comprises graphite. 前記ダイヤモンドがCVDダイヤモンドである、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the diamond is CVD diamond. 前記CVDダイヤモンドが単結晶CVDダイヤモンドである、請求項4に記載の方法。   The method of claim 4, wherein the CVD diamond is single crystal CVD diamond. 前記ダイヤモンドの温度が約1400℃〜約2200℃まで上昇される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the temperature of the diamond is raised to about 1400C to about 2200C. 前記圧力が約1torr〜約760torrの間に維持される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the pressure is maintained between about 1 torr and about 760 torr. 前記ダイヤモンドの温度を、マイクロ波、熱フィラメント、加熱炉、トーチ、及びオーブンの熱源からなる群の熱源を使用して上昇させる、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the diamond temperature is increased using a group of heat sources consisting of microwave, hot filament, furnace, torch, and oven heat sources. 前記ダイヤモンドの温度を、マイクロ波源を使用して上昇させる、請求項8に記載の方法。   The method of claim 8, wherein the temperature of the diamond is increased using a microwave source. 前記CVDダイヤモンドが、別の材料上の単結晶コーティングである、請求項5に記載の方法。   The method of claim 5, wherein the CVD diamond is a single crystal coating on another material. 前記単結晶CVDダイヤモンドが最初は褐色であり、無色になる、請求項5に記載の方法。   The method of claim 5, wherein the single crystal CVD diamond is initially brown and colorless. 前記ヒートシンキングホルダーがモリブデンで構成される、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the heat sinking holder is composed of molybdenum. 所望の光学的品質のCVDダイヤモンドの製造方法であって、
i)成長するダイヤモンド結晶の温度が900〜1400℃の範囲内となり、ダイヤモンドの成長表面全体での温度勾配を最小限にするために、高融点及び高熱伝導率を有する材料でできたヒートシンクホルダー中にダイヤモンドを搭載することで、ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御するステップと、
ii)150torrを超える雰囲気を有する堆積チャンバ内で、マイクロ波プラズマ化学蒸着によって、ダイヤモンドの前記成長表面上にダイヤモンドを成長させるステップであって、前記雰囲気が、1単位のH当たり約8%から約30%を超えるまでのCHを含み、1単位のCH当たり約2%未満から約1000%を超えるまでのNを含むステップと、
iii)成長したCVDダイヤモンドを、前記ヒートシンクホルダー内に維持したまま前記チャンバから取り出すステップと、
iv)ダイヤモンド安定領域外の約1〜約760torrの圧力において、還元雰囲気中で、前記CVDダイヤモンドの温度を約1400℃から約2200℃に約5秒〜3時間の時間の間上昇させるステップとを含む、方法。
A method for producing CVD diamond of desired optical quality comprising:
i) in a heat sink holder made of a material having a high melting point and high thermal conductivity, so that the temperature of the growing diamond crystal is in the range of 900-1400 ° C. and minimizes the temperature gradient across the growth surface of the diamond. Controlling the temperature of the growth surface of the diamond by mounting the diamond on the surface;
ii) growing diamond on the growth surface of diamond by microwave plasma chemical vapor deposition in a deposition chamber having an atmosphere greater than 150 torr, wherein the atmosphere is from about 8% per unit H 2 Including up to more than about 30% CH 4 and less than about 2% to more than about 1000% N 2 per unit of CH 4 ;
iii) removing the grown CVD diamond from the chamber while maintaining it in the heat sink holder;
iv) increasing the temperature of the CVD diamond from about 1400 ° C. to about 2200 ° C. for a period of about 5 seconds to 3 hours in a reducing atmosphere at a pressure of about 1 to about 760 torr outside the diamond stable region; Including.
ステップiv)において、前記CVDダイヤモンドの温度を約1400℃から約2200℃に上昇させる前に、前記ヒートシンキングホルダー中の前記ダイヤモンドを、2500℃を超える融点を有する粉末で取り囲むことをさらに含む、請求項13に記載の方法。   In step iv), the method further comprises surrounding the diamond in the heat sinking holder with a powder having a melting point greater than 2500 ° C before raising the temperature of the CVD diamond from about 1400 ° C to about 2200 ° C. Item 14. The method according to Item 13. 所望の光学的品質の単結晶CVDダイヤモンドの製造方法であって、
i)成長するダイヤモンド結晶の温度が900〜1400℃の範囲内となり、ダイヤモンドの成長表面全体での温度勾配を最小限にするために、高融点及び高熱伝導率を有する材料でできたヒートシンクホルダー中にダイヤモンドを搭載することで、ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御するステップと、
ii)150torrを超える雰囲気を有する堆積チャンバ内で、マイクロ波プラズマ化学蒸着によって、ダイヤモンドの前記成長表面上に単結晶ダイヤモンドを成長させるステップであって、前記雰囲気が、1単位のH当たり約8%から約30%を超えるまでのCHを含み、1単位のCH当たり約2%未満から約1000%を超えるまでのNを含むステップと、
iii)成長した単結晶ダイヤモンドを前記チャンバから取り出すステップと、
iv)請求項6に記載の方法によって、前記ダイヤモンドの光学的品質を改善するステップとを含む、方法。
A method for producing single crystal CVD diamond of desired optical quality, comprising:
i) in a heat sink holder made of a material having a high melting point and high thermal conductivity, so that the temperature of the growing diamond crystal is in the range of 900-1400 ° C. and minimizes the temperature gradient across the growth surface of the diamond. Controlling the temperature of the growth surface of the diamond by mounting the diamond on the surface;
ii) growing single crystal diamond on said growth surface of diamond by microwave plasma chemical vapor deposition in a deposition chamber having an atmosphere greater than 150 torr, said atmosphere being about 8 per unit H 2 From about 2% to more than about 30% CH 4, comprising less than about 2% to more than about 1000% N 2 per unit of CH 4 ;
iii) removing the grown single crystal diamond from the chamber;
and iv) improving the optical quality of the diamond by the method of claim 6.
CVDダイヤモンドの製造方法であって、
i)CVDダイヤモンドを成長させるステップと、
ii)ダイヤモンド安定領域外の約1〜約760torrの圧力において、還元雰囲気、約5秒〜約3時間の間の時間、前記CVDダイヤモンドの温度を約1400℃〜約2200℃に上昇させるステップとを含む、方法。
A method for producing CVD diamond, comprising:
i) growing CVD diamond;
ii) increasing the temperature of the CVD diamond to about 1400 ° C. to about 2200 ° C. at a pressure of about 1 to about 760 torr outside the diamond stable region, for a time between about 5 seconds and about 3 hours in a reducing atmosphere. Including.
請求項15に記載の方法によって製造された単結晶CVDダイヤモンド。   A single crystal CVD diamond produced by the method of claim 15. 請求項16に記載の方法によって製造されたCVDダイヤモンド。   A CVD diamond produced by the method of claim 16. F以下の色を有する、請求項15に記載の方法によって製造された単結晶CVDダイヤモンド。   16. Single crystal CVD diamond produced by the method of claim 15 having a color of F or less. ステップiv)の結果として、N−Vセンターが増加又は減少又は消失するか、或いはフォトルミネッセンススペクトルが強いH3センターが優位となるかである、請求項15に記載の方法によって製造された単結晶ダイヤモンド。   The single crystal diamond produced by the method of claim 15, wherein as a result of step iv), N-V centers increase or decrease or disappear, or H3 centers with strong photoluminescence spectrum predominate. . ステップii)の結果として、N−Vセンターが増加又は減少又は消失するか、或いはフォトルミネッセンススペクトル中、強いH3センターが優位となるかである、請求項16に記載の方法によって製造された単結晶ダイヤモンド。   The single crystal produced by the method according to claim 16, wherein, as a result of step ii), the N-V center increases or decreases or disappears, or a strong H3 center predominates in the photoluminescence spectrum. diamond. 約3124、7357、7220、6856、及び6429cm−1において赤外吸収ピークを有する、請求項15に記載の方法によって製造された単結晶ダイヤモンド。 The single crystal diamond produced by the method of claim 15 having infrared absorption peaks at about 3124, 7357, 7220, 6856, and 6429 cm −1 . 約3124、7357、7220、6856、及び6429cm−1において赤外吸収ピークを有する、請求項16に記載の方法によって製造された単結晶ダイヤモンド。 The single crystal diamond produced by the method of claim 16 having infrared absorption peaks at about 3124, 7357, 7220, 6856, and 6429 cm −1 .
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2446072B1 (en) * 2009-06-26 2018-02-21 Element Six Technologies Limited Method for making fancy orange coloured single crystal cvd diamond and product obtained
GB2471907B (en) 2009-07-17 2011-11-23 Designed Materials Ltd A method of treating diamond
CN101696515A (en) * 2009-11-10 2010-04-21 宋建华 Method for homogeneous endotaxy repair and homogeneous epitaxial growth of diamond single crystal
GB2476478A (en) * 2009-12-22 2011-06-29 Element Six Ltd Chemical vapour deposition diamond synthesis
US10273598B2 (en) 2009-12-22 2019-04-30 Element Six Technologies Limited Synthetic CVD diamond
KR101440736B1 (en) 2010-06-03 2014-09-17 엘리멘트 식스 리미티드 Diamond tools
SG179318A1 (en) 2010-09-27 2012-04-27 Gemesis Company S Pte Ltd Method for growing white color diamonds by using diborane and nitrogen in combination in a microwave plasma chemical vapor deposition system
US8961920B1 (en) * 2011-04-26 2015-02-24 Us Synthetic Corporation Methods of altering the color of a diamond by irradiation and high-pressure/high-temperature processing
DE102020119414A1 (en) 2019-07-25 2021-01-28 Bernd Burchard NV center based microwave-free quantum sensor and its applications and characteristics
CN112808259B (en) * 2021-01-27 2022-09-16 河南工程学院 Preparation method and application of hybrid nano-diamond
CN113005517B (en) * 2021-02-25 2022-07-12 廊坊西波尔钻石技术有限公司 Treatment method for reducing internal stress of single crystal diamond
CN115142039A (en) * 2021-03-31 2022-10-04 苏州贝莱克晶钻科技有限公司 CVD diamond, manufacturing method thereof and method for improving optical property of diamond
US20230357025A1 (en) * 2022-05-09 2023-11-09 M7D Corporation Process for isothermal diamond annealing for stress relaxation and optical enhancement by radiative heating
CN115463615B (en) * 2022-10-08 2023-05-26 四川大学 Method for preparing high-strength and high-toughness pink diamond at high temperature and high pressure

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5451430A (en) * 1994-05-05 1995-09-19 General Electric Company Method for enhancing the toughness of CVD diamond
US5628824A (en) * 1995-03-16 1997-05-13 The University Of Alabama At Birmingham Research Foundation High growth rate homoepitaxial diamond film deposition at high temperatures by microwave plasma-assisted chemical vapor deposition
EP1430666B1 (en) * 2001-09-27 2005-08-31 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Transmission method, sending device and receiving device
UA81614C2 (en) * 2001-11-07 2008-01-25 Карнеги Инститьюшн Ов Вашингтон Device for producing of diamonts, unit for sample holding (variants) and method for producing of diamonds (variants)
US6811610B2 (en) * 2002-06-03 2004-11-02 Diamond Innovations, Inc. Method of making enhanced CVD diamond
EP1537259B1 (en) * 2002-09-06 2010-11-24 Element Six Limited Method for altering the colour of a single crystal cvd diamond and diamond layer produced thereby
US7157067B2 (en) * 2003-07-14 2007-01-02 Carnegie Institution Of Washington Tough diamonds and method of making thereof
KR101240785B1 (en) * 2003-12-12 2013-03-07 엘리멘트 식스 리미티드 Method of incorporating a mark in cvd diamond
CN101023028A (en) * 2004-09-10 2007-08-22 华盛顿卡内基研究所 Ultratough cvd single crystal diamond and three dimensional growth thereof
US8110171B1 (en) * 2005-11-17 2012-02-07 Rajneesh Bhandari Method for decolorizing diamonds

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